前馈控制系统过程控制(自动化)解析课件

1、上一讲内容回顾介绍了串级控制系统的概念与特点；结合控制原理，具体分析了串级系统的抗干扰性能；讨论了串级控制系统的设计原则；介绍了串级控制系统的防积分饱和；介绍了串级控制系统的投运。课堂提问1相比反馈控制，串级控制更有效抑制干扰，因此在控制方案选择时应首选串级控制？串级能够有效抑制副回路中的干扰，因此应选择能包含最多干扰的那个变量作为副变量？课堂提问2控制器的正反作用选择课堂提问3试分析串级控制为何能有效抑止二次扰动；试分析串级系统为何能克服副对象和调节阀的非线性。课堂提问41、如果加热蒸汽压力波动导致单回路控制效果不理想，怎么办？2、如果工艺介质流量波动导致控制效果不理想，怎么办？前馈控制系统

2、Feedforward Control本讲内容前馈控制的原理静态前馈控制前馈控制系统的动态补偿前馈反馈控制系统换热器的反馈控制假设主要干扰为RF，T1单回路控制的仿真采用串级控制？串级控制需要：单回路控制不能满足要求；可测量的副变量副变量需要满足：快速反应主要干扰的影响干扰对副、主变量的影响具有因果关系调节阀对副、主变量的影响具有因果关系NO!无法采用串级控制！换热器的前馈控制方案前馈控制的思想D1，Dn为可测扰动；u，y分别为被控对象的操作变量与受控变量。前馈思想：在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。前馈控制方块图控制目标：开环y(t)前馈不变性原理动

3、态不变性：在扰动d(t)的作用下，被控量y(t) 在整个过渡过程中始终保持不变，称系统对于扰动d(t)具有动态不变性，即Y(s)/D(s) = 0,（调节过程的动态和稳态偏差均为零，“理想情况” ）。稳态不变性：在干扰d(t)作用下，被控量y(t)的动态偏差不等于零，而其稳态偏差为零，即Y(0)/D(0) = 0，或者说y(t) 在稳态工况下与扰动量d(t)无关。前馈控制系统的几种结构形式分为静态前馈、动态前馈、前馈反馈控制系统、多变量前馈控制、用计算机实现前馈控制等。静态前馈控制控制目标：保证过程输出在稳态下补偿外部扰动的影响，即实现“稳态不变性”。静态前馈控制方式：线性静态前馈：非线性静态

4、前馈：结合对象静态模型获得前馈控制器结构与参数。非线性静态前馈控制举例稳态平衡关系：思考: 前馈控制器的实现与相关测量仪表的影响前馈控制算法假设T1、T2的测量范围为T1min, T1max、T2min, T2max, RV、RF的测量范围为0, RVmax、0, RFmax；而各测量信号T1m、T2m 、 RVm、RFm及设定值均为0 100 %. 换热器动态仿真模型(参见模型/FFControl/ExHeater.mdl)静态工作点: T1=20, RF=10 T/hr, RV=2T/hr, Kv=800, T2=180. T2仪表量程为100300, RV仪表量程为05 T/hr. 干扰

5、通道纯滞后可忽略, 控制通道纯滞后为2.5 min.换热器的静态前馈控制器假设静态工作点为: T1=20, RF=10 T/hr, RV=2T/hr, Kv=800, T2=180. T2的测量仪表量程为100 300, RV仪表量程为0 5 T/hr，T1量程为0 50, RF仪表量程为0 20 T/hr. 则其静态前馈控制算法为换热器静态前馈控制仿真讨论：分析稳态不变性原理以及系数Kvm对前馈控制性能的影响，(参见模型/FFControl/ExHeaterStaticFFC.mdl)前馈控制的动态补偿讨论：当控制通道与扰动通道的动态特性差异较大时，需要引入动态补偿。对于线性系统，动态补偿算

6、法为这里，gYD(s)、gYC(s)分别表示通道特性的动态部分，其稳态增益均为1。非线性系统的动态前馈补偿 对于线性系统，动态前馈控制器可表示成静态与动态两部分：其中 对于非线性系统，上式中静态前馈部分可由对象的非线性静态模型计算得到，而动态部分同样可按线性对象处理。动态前馈补偿的一般形式为非线性动态前馈控制器动态前馈控制器（g1(s)、g2(s)、g3(s)分别表示RVsp、T1、RF对系统输出T2的通道特性的动态部分。）前馈控制与反馈控制的比较 前 馈 控 制 反 馈 控 制扰动可测，但不要求被控量可测被控量直接可测超前调节，可实现系统输出的不变性（但存在可实现问题）按偏差控制，存在偏差才

7、能调节，（滞后调节）开环调节，无稳定性问题闭环调节，存在稳定性问题系统仅能感受有限个可测扰动系统可感受所有影响输出的扰动对于干扰与控制通道的动态模型，要求已知而且准确对通道模型要求弱，大多数情况无需对象模型对时变与非线性对象的适应性弱对时变与非线性对象的适应性与鲁棒性强动态前馈控制的可实现性可实现条件：（1）QFF(s)阶次 PFF(s)阶次；（2） 不满足条件时怎么办？可实现条件：（1）QFF(s)阶次 PFF(s)阶次；（2） 动态前馈控制的可实现性（续）若条件（2）不满足，可人为令若条件（1）不满足，可令TDM = 0，而GYD (s)与GYC (s)均用一阶+纯滞后近似。因而，工业系统

8、中常用的动态前馈控制器为举例：换热器的前馈控制稳态工作点：T1=20，RF=10 T/hr，RV=2T/hr，Kv=800，T2=180。假设：T2温度测量变送的量程为100-300，RV和RF的量程分别为0 5 T/hr和0 25 T/hr。换热器的线性前馈控制换热器的线性前馈控制（续）采用阶跃响应方法测试各个环节的传递函数模型：线性前馈控制的仿真有余差原因：实际的工业对象会存在多个扰动；受前馈控制模型精度的限制；用仪表来实现前馈控制算式时，往往作了近似处理。前馈加反馈控制前馈反馈控制方案1前馈反馈控制方案2特点：可克服对象的非线性，或具有变增益控制器的功能。换热器反馈控制系统举例(参见模型

9、/FFControl/ExHeaterPID.mdl)换热器前馈反馈控制系统 1(参见模型/FFControl/ExHeaterFFC_PID1.mdl)换热器前馈反馈控制系统 2(参见模型/FFControl/ExHeaterFFC_PID2.mdl)前馈反馈控制的仿真结 论引入前馈控制的可能应用场合：常规反馈控制系统难以满足要求；干扰可测。主要被控量不可测应用前馈控制的前提条件：主要干扰可测；调节阀与被测干扰之间没有因果关系；干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近；干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。练习题有时前馈-反馈控制系统从其系统结构上看与串级控制系统十分相似。试问如何来区分它们？试分析判断下图所示的两个系统各属于什么系统？说明其理由。TCFCTCFC原油原油燃料油燃料油(a)(b)练习题（续） 下图所